ترانسفورمر سیمولیشن تحلیل: پروسوهای کلیدی، چالنده او بیست پراکتیسونه د فاینت ایلمینټ تولز په کارولو سره
1 مقدمه
چه کسی هرگز نرم افزار تحلیل المان محدود (مانند COMSOL، Infolytica یا Ansys) را برای شبیه سازی تجزیه و تحلیل ترانسفورماتور استفاده کند - چه تمرکز بر فیلد الکتریکی، فیلد مغناطیسی، فیلد جریان، فیلد مکانیکی یا فیلد صوتی باشد - فرآیند اساسی تقریباً مشابه است. درک واقعی از نقاط کلیدی در هر فرآیند پایه موفقیت تجزیه و تحلیل شبیه سازی و قابلیت اطمینان نتایج نهایی است.
2 فرآیند شبیه سازی پایه
فرآیند شبیه سازی ترانسفورماتور علمی و کامل شامل هفت مرحله اصلی است:
3 درک دشواریها
ترانسفورماتور یک دستگاه الکتریکی ثابت است و از این جهت، کار شبیه سازی مربوط به آن نسبتاً ساده است، زیرا حضور قطعات چرخان دشواری بیشتری را در بیشتر شبیه سازیها ایجاد میکند. البته متاسفانه، ترانسفورماتور همچنین یک دستگاه الکترومکانیکی غیرخطی و متغیر با زمان با تراکم قوی فیلدهای فیزیکی متعدد است که اغلب شبیه سازی ترانسفورماتور را بسیار دشوار و حتی غیرقابل حل میکند.
به عنوان مثال، شبیه سازیهای فیلد دما ترانسفورماتور بر اساس تحلیل جریان غالباً نمیتوانند نتایج دقیق و قابل اعتماد تولید کنند. یکی از دلایل این است که نظریه اساسی دینامیک سیالات خود بسیار پیچیده است و هنوز یک نظریه متحد و پایدار تشکیل نداده است. از طرف دیگر، شبیه سازی فیلد دما ترانسفورماتور نیازمند تراکم دوطرفه قوی سه فیلد "فیلد مغناطیسی - فیلد انتقال حرارت - فیلد سیال" است. برای چنین مدل ترانسفورماتور بزرگی، حل یک فیلد جریان تنها چالش برانگیز است، بیش از حد تراکم قوی سه فیلد.
برای دستاوردهای مهم در زمینههای کلیدی شبیه سازی ترانسفورماتور، مهندسان شبیه سازی باید از یک سو، درک عمیقی از نظریههای مرتبط با ترانسفورماتور، طراحی، تولید و دانش آزمون داشته باشند و از سوی دیگر، مهارت بالایی در عملیات نرم افزارهای شبیه سازی و درک ذات عملیات آن داشته باشند.
4 نقاط کلیدی فرآیند
4.1 تحلیل مسئله
قبل از مدلسازی هندسی، نیاز به تحلیل اولیه مسئله شبیه سازی برای ایجاد یک مدل هندسی مناسب و انتخاب فیلد فیزیکی صحیح است. به عنوان مثال، آیا مسئله شبیه سازی روی یک فیلد فیزیکی واحد تمرکز دارد یا فیلدهای فیزیکی تراکم شده قوی؟
4.2 مدلسازی هندسی
تمامیت مدلسازی هندسی کارایی و پیشرفت شبیه سازی را تعیین میکند. در اکثر موارد، نیاز به ایجاد یک مدل هندسی ساده شده است. اما اگر مدل هندسی بیش از حد ساده شود، نتایج شبیه سازی دقیق نخواهد بود و قادر به راهنمایی کار طراحی نخواهد بود. واضح است که تعیین نحوه ساده کردن مدل هندسی نیازمند درک عمیقی از مسئله است. به عنوان مثال، آیا یک مدل هندسی 2D کافی است؟ آیا لازم است یک مدل هندسی 3D بسازیم؟ حتی در زمان ساخت یک مدل 3D، کدام جزئیات میتوانند حذف شوند و کدام باید حفظ شوند؟
4.3 اختصاص مواد
ماده ممکن است دهها پارامتر فیزیکی داشته باشد، اما فقط چند تا از آنها معمولاً برای حل یک مسئله خاص لازم است.
هنگام اختصاص پارامترهای ماده خاص، مقادیر آنها باید دقیق باشند؛ در غیر این صورت، انحرافات غیرقابل قبولی ممکن است به نتایج شبیه سازی اضافه شود.
برخی از پارامترهای خصوصیات ماده با پارامترهای دیگر تغییر میکنند. به عنوان مثال، در شبیه سازیهای حرارتی-سیالی ترانسفورماتور، چگالی، ظرفیت گرمایی و هدایت حرارتی روغن ترانسفورماتور با دما تغییر میکنند و این روابط باید با استفاده از توابع نسبتاً دقیق توصیف شوند.
4.4 تنظیم فیلد فیزیکی
برای فیلد فیزیکی انتخاب شده، لازم است شرایط حل ضروری را تعریف کنید، مانند معادلات فیزیکی حاکم بر مسئله، عبارات تحریک، شرایط اولیه، شرایط مرزی و شرایط محدودیت.
4.5 تولید مش
تولید مش به طور قابل توجهی مرحله اصلی بعد از مدلسازی هندسی است. نظریا، مشهای ریزتر نتایج دقیقتری را تولید میکنند. اما مشهای بسیار ریز عملی نیستند، زیرا زمان حل را به طور قابل توجهی افزایش میدهند.
اصل اساسی تولید مش ترکیب مناسب مشهای درشت و ریز است: جایی که لازم است ریز کنید و جایی که ممکن است درشت کنید.
تولید مش دستی بسیار چالش برانگیز است و نیازمند درک عمیقی از مسئله توسط مهندسان شبیه سازی است.
خوشبختانه، برخی از نرم افزارها توابع تولید مش خودکار مبتنی بر فیزیک را ارائه میدهند که معمولاً فرآیند تولید مش را ساده میکنند. به عنوان مثال، تابع تولید مش خودکار COMSOL برای ماژولهای شبیه سازی فیلد الکتریکی بسیار قدرتمند است و میتواند مدلهای عایق اصلی ترانسفورماتور بزرگ را با سرعت تقریباً 40 برابر سریعتر از نرم افزارهای دیگر مش بزند.
متاسفانه، توابع تولید مش خودکار داخلی نرم افزار برای حل برخی از مسائل کافی نیستند، زیرا نرم افزارهای عمومی نمیتوانند مناطقی که نیاز به مش ریز دارند را شناسایی کنند - مانند در شبیه سازیهای فیلد جریان.
4.6 حل مدل
Bảnعة حل شبیه سازی حل سیستمهای معادلات گسسته بزرگ است. این نیازمند دانش مهندسان شبیه سازی در ریاضیات مرتبط، مانند نظریة ماتریس و روشهای تکرار نیوتن است.
برخی از حلکنندههای نرم افزار به طور خودکار بر اساس مسئله پیکربندی میشوند و نیازی به مداخله اضافی از سوی مهندس ندارند. اما مانند تولید مش، این به طور کلی قابل اعمال نیست. حل مسائل پیشرفته و پیچیده نیازمند پیکربندی جداگانه توسط مهندسان است تا همگرایی سریع و نتایج دقیق تضمین شود.
4.7 پردازش پس از حل
برای ارائه مستقیم نتایج شبیه سازی، دادههای به دست آمده نیاز به پردازش مناسب دارند، مانند تولید نقشههای محتوای فیلد الکتریکی، نقشههای محتوای فیلد دما یا نقشههای محتوای فیلد جریان.
علاوه بر این، برخی از مراحل پردازش پس از حل نیازمند اعمال دانش حرفهای توسط مهندسان است. به عنوان مثال، بیشتر نرم افزارهای شبیه سازی فیلد الکتریکی فقط میتوانند مقدار شدت الکتریکی در هر نقطه را به صورت مستقیم نمایش دهند، اما تعیین امکانپذیری حاشیه عایق نیازمند تحلیل آماری این دادهها است تا منحنیهای حاشیه عایق بر اساس مجموعه شدتهای میدان تولید شود.
